基于MRA的椎動脈瘤血流動力學仿真分析

陳曉琴，陳廣新，張海峰，黃偉

牡丹江醫學院，黑龍江 牡丹江 157011

0 引言

椎動脈瘤是椎動脈管壁局部發生病理性改變及異常管腔擴張導致的瘤樣形成，較多發且損傷程度嚴重，多見于血管壁變薄伴形態異常[1]。椎動脈瘤破裂時會造成蛛網膜下腔出血，致死率較高，若初次出血未引起重視且未采取及時有效治療措施，一般三周內部分患者將發生再次出血，極大提高該病致殘率與死亡率；除此之外，小部分患者存活后因腦血管痙攣等伴隨改變影響神經、語言及運動等基本功能，生活質量明顯降低[2-3]。椎動脈瘤未破裂時，若瘤體體積較小，患者無明顯表現，隨瘤體體積增大，對周圍血管及腦實質出現推移擠壓侵襲等情況，此時患者可出現神經系統等相關癥狀，如頭暈頭痛等。目前動脈瘤產生的確切機制尚不清楚，主要分為血管、后天環境及血流動力學三方面因素[4]。血管方面，大多數學者認為動脈瘤形成多與血管本身管壁組成層次及血管壁相關功能有關，如椎動脈管壁內膜組成部分較薄，其厚度為顱外相同直徑血管的2/3[5]。后天環境因素多與動脈粥樣硬化、感染、創傷及炎癥有關，血管管道閉塞、血栓形成或栓塞、手術等其他情況造成的顱腦異常損傷及機體本身免疫保護機制下血管壁的部分破壞改變，這些情況導致動脈管壁結構不完整及形態改變，形成異常瘤樣擴張，最終發生發展為不完全及完全破裂[6]。血流動力學方面，如血流速度流線、壁面切應力（wall shear stress,WSS）、震蕩剪切系數（oscillatory shear stress,OSI）,梯度震蕩數值（gradient oscillatory number,GON）等能具體描述血管內部血流情況，更為直接與清晰，并且無創，在原有掃描層面上進行后處理操作分析[7]。

本文以真實患者椎動脈MRA掃描圖像為基礎，重建椎動脈個體化血管模型，應用數值模擬對椎動脈瘤患者模型進行血流動力學參數分析，采用各種后處理軟件繼續提取真實患者的椎動脈瘤患者的血流動力學特征，預測、分析動脈瘤形成的危險因素。

1 材料與方法

1.1 數據采集

采集2016年10月-2021年10月牡丹江醫學院附屬紅旗醫院放射科20例左側椎動脈瘤及20例正常椎動脈患者MRA圖像數據與臨床報告數據，診斷結果經兩名診斷醫師復核。所有患者或患者授權委托人均經倫理委員會審查及簽署知情同意書。

1.2 椎動脈模型的三維重建

將醫院系統DICOM格式數據分類處理，導入MIMICS軟件（比利時，Materialise公司）進行初步模型處理工作，采用閾值分割，對椎動脈血管模型進行裁剪，利用原始圖像數據灰度值不同的特點將椎動脈血管與其他顱內組織結構進行區分，得到感興趣區域，初步獲得粗糙血管模型，通過三維計算等算法模式創建椎動脈三維模型，導入3-MATIC軟件（比利時，Materialise公司）中進行多余血管去除，對粗糙血管模型進行適度光滑，并對血管出入口平面進行裁剪處理，以STL格式進行導出，為后續網格劃分進行準備。

1.3 模型網格劃分

將椎動脈STL文件格式導入ANSYS FLUENT MESHING（ANSYS，美國）軟件，為保證最終結果準確度，對模型均采取6層邊界加密處理，定義兩個入口、四個出口及血管壁，先后進行模型面及體網格的劃分，給定后續邊界條件設定，并且也有利于后處理分析計算。

1.4 設定邊界條件及血流數值模擬

常規情況下，心動周期內不同時刻血管內部的血流速度及血管壁受到的管壁壓力均不同，故本次實驗采用速度入口及壓強出口，同時假定血管管壁材料屬性為剛性，血管本身無外滲，血管內部血液設定屬性為牛頓液體，暫不考慮能量傳遞情況[2]。入口速度曲線如圖1，出口壓強情況如圖2。為使計算結果為收斂狀態，本次實驗計算三個心動周期，取最后一個計算周期進行數據分析處理。

圖1 速度入口曲線

圖2 壓強出口曲線

1.5 數值模擬結果參數選取

本文選取血流速度流線、WSS、OSI及GON四項血流動力學指標參數進行描述分析。

2 結果

2.1 血流速度流線圖

如圖3所示，椎動脈瘤組整體血流速度較正常組稍低。椎動脈瘤組左側椎動脈血流速度較右側稍低，且瘤體處可見血流流入，呈渦流改變，右側椎動脈近基底動脈匯合處血流速度增高。基底動脈段血流紊亂，血流速度值波動范圍較大，呈持續渦流前進。正常椎動脈組血流平穩，表現為均勻層流狀態，未見明顯紊亂及渦流等血流異常情況。

圖3 血流速度圖

2.2 血管壁剪切應力圖

如圖4所示，椎動脈瘤組動脈瘤瘤處表現為較低WSS值，且在右側椎動脈段可見高低WSS值間斷式分布，以近匯合處明顯。正常椎動脈組WSS值均無較大波動，且各血管區域WSS值在正常范圍內，未見異常增大或減小區域。

圖4 血管壁剪切應力圖

2.3 震蕩指數圖

如圖5所示，椎動脈瘤組雙側椎動脈均可見部分較高OSI值，且動脈瘤處可見片狀增高區域，雙側椎動脈匯合處及基底動脈段均可見部分高OSI區域。正常椎動脈組OSI值均位于較低范圍，在基底動脈匯合處表現出點片狀高OSI值。

圖5 切應力震蕩指數圖

2.4 梯度震蕩數值圖

如圖6所示，椎動脈瘤組與正常椎動脈組在基底動脈段均表現為波動高GON值。正常椎動脈組余區域均較椎動脈瘤組數值低，動脈瘤組左側椎動脈呈現為小片狀高GON值區域，以瘤體附件及瘤體本身最突出，且在雙側椎基底動脈匯合處即分叉處表現為高GON。

圖6 梯度震蕩數值圖

3 討論

3.1 不同椎動脈組血流速度流線結果比較

血流正常狀態為均勻層流，當該狀態被破壞時，產生高速或極低速血流，將會對血管壁造成不同程度的損傷，以血管分叉處最明顯[8]。當血流狀態紊亂時，血液中的血管破壞因子將被運送至血管壁邊緣，與管壁成分進行摩擦接觸，對管壁進行損傷。當血管壁破損后，將極大促進炎癥反應的發生，造成惡性循環[9-10]。如圖3所示，動脈瘤體較對照組表現為血流紊亂伴血流速度緩慢瘀滯，且雙側椎動脈血流速度相差較大，為速度不對等表現，這可能是造成產生的原因，異常狀態血流持續對血管壁進行撞擊，極大促進動脈粥樣硬化發生發展及動脈管壁損傷。

3.2 不同椎動脈組血管壁剪切應力結果比較

WSS在生物力學方面可理解成血液在流動過程中對血管壁的摩擦力，其數值與接觸兩物體之間速度差異密切相關，多為正比關系。目前認為較小的WSS值與內皮細胞的炎性改變及后續血小板的沉積有關[11-12]。如圖4所示，動脈瘤及瘤體周圍血管較對照組均表現為較低的WSS值，表示瘤體本身及鄰近血管內部血液流動慢，速度強度低，更有利于紅細胞、血小板等成分由血流中心向血管壁邊緣層面流動，使動脈瘤壁附著部分血管壁損傷因子，造成管壁組織受損，最終喪失管壁正常功能。

3.3 不同椎動脈組振蕩剪切指數結果比較

OSI描述的是血流方向隨時間變化的情況，多用來衡量WSS方向變動情況[13]。OSI數值范圍多在0～1之間波動，當OSI為0時即該心動周期內血流流動方向穩定且未見異常情況發生，當OSI數值為1時即血流方向紊亂，甚至出現湍流反流等情況[14-15]。由圖5可知，動脈瘤即瘤底區域較對照組OSI數值較高，表明該區域的血流波動較大，血流情況不穩定，易導致血管損傷因子產生，且對瘤體血管沖擊極大，增大動脈瘤破裂風險。

3.4 不同椎動脈組梯度振蕩數值結果比較

GON表示血液流動過程中震蕩及壓縮的情況，為目前心動周期內血液與內皮細胞的作用程度[16-17]。血管壁具有高GON值時代表此區域內血流流動角度的改變，多與入射角度有關[18-19]。如圖6所示，動脈瘤體及左側椎動脈較對照組均表現為高GON值，表示該區域具有較大程度的血流震蕩情況及血管壓縮改變，渦流血流進入動脈瘤后對瘤體內部進行撞擊，造成局部血管壁異常壓力改變，最終使瘤體產生擴張膨脹。

4 結論

（1）以MRA圖像為基礎的數值模擬技術可以重建個體化椎動脈血流動力學模型，可預測、分析動脈瘤病變形成危險因素；

（2）椎動脈瘤形成可能與低速湍流、低WSS、高OSI及高GON有關。

5 局限性與不足

本文以真實患者圖像為基礎進行模型重建，在具有真實性基礎上使得個體化差異較大，因此需大樣本數據統計分析處理，而本文收集樣本數量有限。同時在建模過程中由于瘤體本身情況不同，操作者具有一定主觀性，在處理過程中盡量按照同一標準進行處理分析，但是對動脈瘤處理情況仍具有細微差別，故研究具有一定局限性。基于以上不足，之后將繼續擴大樣本數量，同時在臨床醫生指導下進行建模工作，提高結果準確度及可信度。